Ansys | 传统烤箱 vs 对流烤箱：饼干加热过程的热分析对比

概述

传统烤箱主要通过加热元件的辐射来加热食物。对流烤箱除了辐射外，还使用强制对流来加热食物。在本问题中，我们不模拟辐射，而是重点比较传统烤箱（自然对流）和对流烤箱（强制对流）中发生的传热。

目标

• 比较两种烤箱将饼干加热到200 ℃所需的时间。

• 比较饼干在这两种烤箱中烘烤时的温度分布均匀性。

步骤

1.打开 Ansys Workbench，创建一个瞬态热分析系统。

2.将单位制更改为“公制（kg, m, ℃）”，以便于定义材料属性。

3.定义饼干的材料属性：密度=50 kg/m³，各向同性导热系数=0.3 W/(m·℃)，比热容=2000 J/(kg·℃)。

4.将单位设置为“公制（kg, mm, ℃）”。

5.导入几何模型，其外观如图 1 所示。

图 1：姜饼人饼干几何模型

6.为几何模型分配材料。

7.创建饼干上表面和下表面的命名选择（如图 2 所示）。

图 2：上表面和下表面的命名选择

8.使用线性网格对模型进行网格划分。

9.我们假设烤箱在220秒内达到250 ℃。在“分析设置详细信息”中，将“步结束时间”设置为200秒。将“定义方式”设置为“子步”，并将“初始子步”、“最小子步”和“最大子步”均设置为20，如图 3 所示。

图 3：分析中定义的步结束时间和子步

初始环境温度是均匀的，设置为22℃。对于边界条件，我们假设饼干的下表面通过烤盘的热传导获得热量。上表面通过对流获得热量。在下表面施加传导边界条件，并让温度在0到200秒内（与烤箱加热的时间相同）从22℃ 升高到250℃。在上表面施加对流边界条件（见图 4）。首先，我们将模拟传统烤箱。使用表格数据设置对流换热系数和环境温度。在t=0 秒时，（环境）温度为22 ℃，膜系数为2e-5 W/(mm·℃)；在t=200 秒时，（环境）温度达到250 ℃，膜系数仍为 2e-5 W/(mm·℃)。求解系统。

图 4：分别在下表面和上表面施加的传导和对流边界条件

膜系数是量化通过对流传递热量能力的参数，膜系数越大，通过对流传热越快。

10.复制已求解的系统以模拟对流烤箱。在这种情况下，将膜系数更改为 2e-3 W/(mm·℃)（在 t=0和t=200 秒，即 22 ℃和 250 ℃时）。求解第二个系统。

11.对于传统烤箱，饼干的最低温度在170秒时大于200 ℃；而对于对流烤箱，在160秒时大于200 ℃。两种烤箱的温度分布如图5所示。

图 5：姜饼人饼干在传统烤箱和对流烤箱中的温度分布

12.在传统烤箱的 t=170秒时和对流烤箱的 t=160秒时，温度差分别为 8.82 ℃ 和 3.68 ℃。因此，与传统烤箱相比，对流烤箱加热饼干更快且更均匀。

总结

本示例比较了姜饼人饼干在传统烤箱和对流烤箱中烘烤时的温度分布。我们发现，与传统烤箱相比，对流烤箱加热饼干更快且更均匀。这就是对流烤箱比传统烤箱更贵的原因。

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